汽車應用中如何通過FloTHERM熱仿真提升PCB可靠性設計
汽車電子其實并非與其它復雜電子產(chǎn)品完全不同：多個中央處理器、網(wǎng)絡、實時數(shù)據(jù)收集，以及極為復雜的PCB。汽車行業(yè)的設計壓力與其它類型的電子產(chǎn)品相似：設計時間短，市場競爭激烈。那么汽車電子與例如一些高端娛樂產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)別？天壤之別！如果PCB在娛樂產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車電子部件的可靠性設計是設計過程中需要考慮的一個主要方面。
影響可靠性的最關鍵的一點（這里是就性能而言）是熱。集成電路(IC)過熱會隨時間出現(xiàn)問題，汽車環(huán)境也會變得非常無情。例如，過熱發(fā)動機艙里的部件，或開車經(jīng)過從密歇根州冬季直至亞利桑那州夏季這樣的氣候。從IC封裝開始，貫穿PCB，直至運行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應能控制熱度。因此我們需要在設計的各個階段一直采用虛擬樣機功能，以確保我們有一個熱可靠的產(chǎn)品。
首先IC供應商通常分析元件包裝并提供熱特性模型。接著我們希望隨著設計展開對單機PCB進行分析。PCB設計人員通常需要其工作部件布局的分析，進而確定是否他們制造出了一塊很難被冷卻的板子。而且此工作不只是粗略的考慮到板子帶有的器件熱耗散和位置分布。由于散熱路徑很多（散熱器、電路板內層銅、傳遞、傳導和發(fā)散……），從PCB設計系統(tǒng)傳到熱分析的數(shù)據(jù)必須是完整的。分析軟件的設置和執(zhí)行也必須相當直觀，因為你希望使用該軟件的PCB設計人員不必要是個熱學專家，并且不會延誤設計過程。
但是最終的虛擬樣機必須在能預期的汽車環(huán)境下對最終產(chǎn)品外殼里的單個或多個PCB工況下執(zhí)行。這種分析常見于典型的機械計算機輔助設計(MCAD)系統(tǒng)對產(chǎn)品有完整物理定義的機械設計領域，完整定義包括外殼、安裝方法、散熱器和熱軌，及PCB等。機械設計人員接著使用有限元仿真FloTHERM軟件，運用計算流體力學并結合對流、輻射和熱傳導分析，來確定IC是否超出臨界溫度，以及是否可能引起可靠性或性能問題。
FloTHERMwww.digitalorthodoxy.com如今已經(jīng)擴展到不僅能確定IC結溫溫度，還能給設計人員指導可能引起問題的原因以及如何解決問題。該軟件可找出“熱瓶頸”來顯示熱流路徑哪部分被限制。設計人員利用這一信息能找出可替代的元件安裝技術，以及PCB至外殼的更好熱傳導路徑等，從而緩解瓶頸。
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另一個有價值的做法是確定“熱捷徑”，其能指出可加快散熱的潛在可能性設計方案。圖2的例子顯示了高熱IC的原始問題以及解決問題的捷徑確定。這種情況下在IC和外殼之間增加填充墊，能形成更直接的環(huán)境熱傳遞路徑。這個簡單的變化能使IC溫度降低74%。
圖2–確定熱捷徑能引導設計人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。
在PCB設計和機械設計領域使用復雜熱分析能帶來更好的熱管理和可靠性，且無需建立和測試多種物理樣機。這節(jié)約了大量時間和費用。另外，有了與設計系統(tǒng)緊密整合的方便易用的軟件，設計人員能快速利用多種“假設”場景進行實驗，并獲得性能更好的解決方案。www.digitalorthodoxy.com
高加速壽命測試
車輛出現(xiàn)可靠性問題的另一原因是PCB的持續(xù)振動及隨后出現(xiàn)的組件引線和附件故障。一般可通過構建樣機并將它們放置在加速室，使PCB發(fā)生振動和溫度循環(huán)試驗，以檢測是否出現(xiàn)故障。隨著設計的進展，這種方法需要構建多個樣機，并且通常需要幾周甚至幾個月的時間才能完成在加速室對汽車零部件預期壽命的模擬。這是一項非常耗時且費用極高的過程，因此可靠性增強測試可能并不完整和全面。
目前有軟件可以在虛擬樣機模式下開展同樣的測試。設計人員可利用這種軟件對PCB進行界定并輕松開展損耗仿真實驗。該軟件可在幾小時內完成復雜的分析，并指出可能出現(xiàn)的故障（圖3）?？蓪@些故障進行校正，并在新的設計版本中重新開展模擬。這種反復的過程可迅速獲得合適的可靠性解決方案。以色列國防部早期成功將該軟件部署在他們的新一代戰(zhàn)車上。如果該軟件可以在戰(zhàn)車的極端環(huán)境下都對可能出現(xiàn)的故障進行分析，那么我將信賴其應用在我的汽車上。
圖3：軟件可以在數(shù)小時內完成振蕩、震動和溫度循環(huán)故障分析，而在測試室內則需要幾周甚至幾個月的時間。
電源完整性分析保證高可靠性
在電子產(chǎn)品設計中，電源完整性是一項越來越復雜的問題。幾年前，所有的IC都是在5伏的電壓下工作，您只需要一個5V電源和接地層即可為零部件提供充足穩(wěn)定的電源。而如今，IC可在多個電壓模式下工作，電壓可低至0。9伏。因此，單個印刷電路板需要多個復雜的配電網(wǎng)來提供這些電壓和地線。為節(jié)省成本，計算機輔助設計人員不得不將這些多個配電網(wǎng)(PDN)放入盡可能少的接地層中。結果可能會出現(xiàn)像圖4一樣的配電網(wǎng)，內部空間非常狹窄（頸部起伏），但又需要為IC提供高電平電流。
圖4：HyperLynx電源完整性分析可確定高電平電流密度空間和可能出現(xiàn)的長期印刷電路板故障
空間狹窄可導致嚴重的可靠性問題，而這一問題可能幾年后才會顯現(xiàn)。電流過高會使空間溫度上升，從而導致PCB像保險絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對這些配電網(wǎng)進行分析，并可確定虛擬樣機和高電平電流密度空間。然后設計人員便能夠對空間進行擴大或在相鄰層創(chuàng)建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應的同時解決這一問題。
在測試室內通過使用物理樣機對電流密度問題進行測試并不實際，因為它可能在幾年后才能引發(fā)故障。而問題可能永遠不會顯現(xiàn)出來，導致隨后出現(xiàn)這方面的故障。
結論
可靠性在汽車電子中非常重要，而如今鑒于來自產(chǎn)品上市時間和成本縮減的壓力，采取在軟件虛擬樣機環(huán)境中相對于測試室內的物理樣機進行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機械設計人員可進行更多的模擬仿真方案。
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